艦載機著艦模擬訓練系統(tǒng)設(shè)計

劉劍超，汪 節(jié)，林亞軍，呂 游，穆 楊

(海軍航空大學 教練機模擬訓練中心, 遼寧 葫蘆島 125001)

艦載機著艦是航母作戰(zhàn)能力形成的重要因素，著艦是具有高精度和高風險的飛行訓練項目，著艦距離短且過程中還會受到艦運動、艦尾流等的影響。利用實裝訓練，不但受自然條件約束明顯，而且訓練風險極大和訓練成本高昂。因此，采用著艦模擬訓練系統(tǒng)，可有效提高飛行員的著艦操控技術(shù)水平，替代部分實裝訓練、減少事故率，具有非常現(xiàn)實的意義。于興雷等[1]對艦船運動模型的視景仿真進行了研究，于鳳全等[2]研究了艦載直升機飛行模擬器飛行仿真系統(tǒng)，田角榮等[3]研究了艦載機陸基FCLP訓練模擬系統(tǒng)。國外在艦載機著艦研究方面進行的較早，尤其是美軍，經(jīng)歷了慘痛的教訓，也因此收獲了豐富的經(jīng)驗。本文主要是借鑒國外相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，系統(tǒng)的對我國艦載機著艦過程進行了模擬仿真，研制了艦載機著艦飛行模擬訓練系統(tǒng)。本文主要從著艦飛行模擬器的整體需求、分系統(tǒng)設(shè)計、飛行仿真驗證等方面進行敘述。

1 整體設(shè)計

整體設(shè)計的功能需求為：

1) 模擬艦面與“空中”操作訓練。模擬艦面座艙實習、通電檢查；模擬在“空中”進行座艙設(shè)備的空中操作與使用程序的訓練。

2) 模擬多種引導方式的著艦訓練。完成LSO(Landing Signal Officer,著艦信號指揮官)引導、光學引導、儀表半自動引導、自動著艦引導下的著艦、復飛、逃逸、特情等科目的訓練。

3) 模擬訓練數(shù)據(jù)的記錄與處理。系統(tǒng)可記錄模擬著艦飛行訓練中的有關(guān)數(shù)據(jù)，并載入著艦相關(guān)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，進行回放，并依據(jù)著艦規(guī)范、著艦飛行品質(zhì)等標準，通過智能算法，完成著艦飛行訓練的評估。

圖1中各個子系統(tǒng)的組成和功能：教員控制臺是模擬器的大腦，進行人機交互，輸入輸出信息。引導子系統(tǒng)包含人工、半自動、自動等引導方式，主要是根據(jù)艦載機位置偏差。座艙及操縱子系統(tǒng)，包括座艙人機接口系統(tǒng)和駕駛桿、油門、方向舵等操縱設(shè)備。飛行/推力控制子系統(tǒng)和飛行仿真子系統(tǒng)，是根據(jù)當前的任務(wù)設(shè)置和飛行狀態(tài)，解算飛機模型和碰撞檢測模型。視景子系統(tǒng)能完成三維環(huán)境仿真和平視顯示器畫面生成與疊加，提供多視角艦載機著艦情況；音響子系統(tǒng)完成模擬訓練中的有關(guān)音響仿真；儀表子系統(tǒng)主要對艦載機儀表進行仿真模擬，采取圖形儀表和實裝儀表改裝相結(jié)合的方式；振動子系統(tǒng)是模擬艦載機著艦過程中簡單的觸艦感覺；過載子系統(tǒng)主要是計算飛行員在著艦過程中各個階段的過載情況；教員控制臺完成任務(wù)管理、條件參數(shù)設(shè)置、故障設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、仿真再現(xiàn)，數(shù)據(jù)輸出及評估，模擬LSO指揮等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖1中系統(tǒng)的聯(lián)動機制：引導子系統(tǒng)通過FLOLS光學信號或儀表數(shù)據(jù)，為飛行員提供著艦下滑道的高度誤差信號和側(cè)向偏差信號；飛行員根據(jù)此誤差信號，通過模擬座艙的操縱裝置(駕駛桿、油門桿、方向舵等)，輸入控制量；飛行/推力控制子系統(tǒng)采集和接收飛行員的操縱量，計算舵面偏轉(zhuǎn)值和推力值；飛行仿真子系統(tǒng)接收舵面偏轉(zhuǎn)值和推力值作為輸入，并根據(jù)艦載機的動力學模型，實時計算著艦飛行狀態(tài)，并將此狀態(tài)反饋給飛行/推力控制子系統(tǒng)，形成控制上的閉環(huán)；航母動力學子系統(tǒng)計算航母的六自由度運動狀態(tài)；艦載機飛行狀態(tài)和航母運動狀態(tài)，會共同輸入到視景子系統(tǒng)、儀表子系統(tǒng)等中，驅(qū)動視景和儀表等的工作，進而為飛行員提供實時反饋信號；教員控制臺，在著艦模擬飛行中，飛行教員能進行著艦模態(tài)的選擇、著艦環(huán)境設(shè)置等操作，并根據(jù)控制臺的實時著艦態(tài)勢，通過語音與飛行員聯(lián)系，模擬真實著艦中，艦面LSO等人員與飛行員間的指揮交流。

2 各子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 引導子系統(tǒng)

模擬器中包含了上述4種著艦引導方式，分別是自動著艦引導、 ILS(Instrument Landing System,儀表著艦系統(tǒng))引導、FLOLS(Fresnel Lens Optical Landing System,菲涅爾透鏡著艦系統(tǒng))著艦引導、LSO引導等，以模擬訓練飛行員在各類引導方式下的操縱。一般實際中，會根據(jù)需要對不同引導方式進行組合使用，如美軍的全天候引導系統(tǒng)有4種工作模式。模態(tài)I采用自動著艦引導；模態(tài)IA采用自動著艦引導至3/4海里處，切換為FLOLS引導；模態(tài)II采用ILS引導3/4海里處，切換為FLOLS引導；模態(tài)III為艦上控制進場，主要是LSO引導。模態(tài)I工作時，模態(tài)II、III處于監(jiān)控和備用的狀態(tài)；模態(tài)II工作時，模態(tài)III處于監(jiān)控和備用的狀態(tài)。

1) 自動著艦引導建模。主要是雷達引導建模和引導律建模。雷達引導建模包含4次坐標轉(zhuǎn)換、平臺數(shù)字穩(wěn)定和雷達(測距/測角)噪聲建模；引導律建模，采用工程基于α-β-γ濾波器的PIDD(Proportion Integration Differential Differential,比例+積分+微分+微分)引導律，用于濾除雷達主要工作頻段的噪聲，并根據(jù)高度誤差和側(cè)向偏離等，來運算引導指令(俯仰角指令和滾轉(zhuǎn)角指令)，指令經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈延遲模型，后傳送給飛控系統(tǒng)模塊。過程中，若飛行員操縱駕駛桿或油門桿，系統(tǒng)將切斷自動引導方式，轉(zhuǎn)入其他引導方式。

2) ILS引導建模。主要是儀表引導建模和平臺數(shù)字穩(wěn)定。ILS引導建模要完成兩次坐標轉(zhuǎn)換，并用數(shù)字穩(wěn)定消除甲板運動的影響，最后生成偏差信號(下滑角偏差和方位角偏差)，發(fā)送到模擬座艙中的儀表中。飛行員根據(jù)著艦誤差的大小及極性，來操縱飛行模擬著艦。

3) FLOLS著艦引導建模。主要是FLOLS穩(wěn)定模式建模、FLOLS穩(wěn)定模式建模、工作邏輯建模、FLOLS視景建模。FLOLS穩(wěn)定主要是消除甲板運動對FLOLS平臺的影響，穩(wěn)定模式包含慣性穩(wěn)定模式、直線穩(wěn)定模式和點穩(wěn)定模式。工作邏輯建模，是根據(jù)飛機的高度誤差/側(cè)向偏離、飛機距離理想著艦點的實際距離、以及FLOLS平臺穩(wěn)定方式，來運算出縱向和側(cè)向各偏離多少燈球，并將信號，傳送給視景子系統(tǒng)，驅(qū)動點亮瞄準燈。

4) LSO著艦引導建模。 模擬器中，設(shè)置了兩種LSO著艦引導模式，一個是自然人LSO語音引導和人工智能LSO語音引導。在引導控制方式中，LSO是最高權(quán)限。

自然人LSO語音引導：該模式下，LSO通過模擬器的教員控制臺，觀察著艦視景畫面和中線攝像機信息，判斷飛機在下滑道的偏差，利用電話語音系統(tǒng)，給模擬座艙中的飛行員下達飛行指令。

人工智能LSO語音引導：若無LSO在場，可選用計算機人工智能LSO代替。人工智能LSO根據(jù)飛行軌跡、艦載機特性、甲板運動和飛行員狀態(tài)等，得出飛機所需的調(diào)整量，并映射為LSO指令，語音發(fā)送給飛行員，如圖2所示。人工智能LSO開發(fā)時，會用大量輸入輸出進行訓練和檢驗。

圖2 LSO模型框圖

2.2 座艙及操作子系統(tǒng)

模擬座艙系統(tǒng)艙內(nèi)布局與真實飛機基本一致。所有操縱、控制、顯示、指示設(shè)備均采用模擬件，滿足要求：所有控制裝置的控制方式、操控范圍、力感、系統(tǒng)響應(yīng)等與真實艦載機保持一致；控制設(shè)備的布局、外形要與真實艦載機一致；所有顯示/指示設(shè)備的顯示邏輯、顯示方式等要與真實艦載機保持一致。

駕駛桿、方向舵等操縱采用彈簧載荷來模擬操縱特性。模擬儀表的外觀和特性與實裝一致。在具體分析儀表的結(jié)構(gòu)和工作機理的基礎(chǔ)上，設(shè)計接口和驅(qū)動電路。主控將模擬信號傳遞給儀表驅(qū)動板上的單片機，轉(zhuǎn)換成頻率和脈沖等參數(shù)，通過放大和驅(qū)動后，控制電機運動，仿真儀表工作。

2.3 飛行/推力控制子系統(tǒng)

1) 飛行控制系統(tǒng)。 飛行控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，有兩種方法：使用艦載機實裝的飛行控制系統(tǒng)(飛控計算機和執(zhí)行機構(gòu))，缺點是成本太高；全數(shù)字化仿真，缺點是難以仿真固有的非線性環(huán)節(jié)，但能具有一定的精度。

可采用FLIGHTLAB軟件中的CSGE模塊，對飛行控制系統(tǒng)進行建模：

飛行控制律模型：著艦時三軸姿態(tài)控制/保持、三軸姿態(tài)角速率控制/保持、計算延時模型、應(yīng)急機械操縱模型、自動著艦模態(tài)下飛控與艦上引導系統(tǒng)交聯(lián)。

模態(tài)切換模型：著艦引導控制切換的的平緩處理。

執(zhí)行機構(gòu)模型：可建立具體液壓助力模型等，也可用二階系統(tǒng)加非線性環(huán)節(jié)來描述其動力學。

傳感器模型：包含迎角、姿態(tài)角、風速、氣壓高度等傳感器模型，以及誤差和噪聲模型，傳感器故障模型。

2) 推力控制系統(tǒng)。艦載機著艦反區(qū)飛行，軌跡不穩(wěn)定且動力學耦合復雜，飛行員常采用反區(qū)操縱方法來控制艦載機，或采用自動油門(常為速度保持)。需結(jié)合具體的油門、發(fā)動機、飛機的模型，設(shè)計推力控制律和控制系統(tǒng)等。

2.4 飛行仿真子系統(tǒng)

根據(jù)艦載機氣動模型數(shù)據(jù)和舵面操縱輸入，計算出飛行狀態(tài)下的氣動力、氣動力矩；根據(jù)發(fā)動機模型及油門輸入，得到飛行狀態(tài)下的發(fā)動機推力；將力和力矩輸入到動力學和運動學方程中，可以得出著艦狀態(tài)輸出。風場模型是通過氣動學影響艦載機的力、力矩輸出。攔阻情況關(guān)系著艦品質(zhì)和安全，起落架模型和攔阻模型可以仿真出飛機觸艦攔阻情況。建模需注意以下幾個方面(圖3)。

圖3 飛行仿真子系統(tǒng)模塊

1) 氣動模型的精確性是飛行仿真的關(guān)鍵，氣動模型中需包含減速板、增升裝置、起落架、滑流、“艦面效應(yīng)”等的氣動數(shù)據(jù)。

2) 動力學和運動學模型。航跡軸系下建立模擬器質(zhì)心運動方程如下：

(1)

機體軸系中建立繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學方程：

區(qū)別于阿斯頓·馬丁旗艦車型DB11，全新Vantage兼具了造型的美感和強勁的性能。這輛頗有GT感覺的運動跑車在聽覺、美學方面所成就的造詣令人向往，飛馳的快感通過萊卡（Lycra）纖維材質(zhì)制成的座椅傳遞至駕駛者的身體，配合著高亢的發(fā)動機聲線，英倫品牌獨到的魅力此時被彰顯得淋漓盡致。

(2)

由式(1)，通過矩陣轉(zhuǎn)換，可得質(zhì)心速度在地面軸系上的投影，再對各分速度進行積分，即可得到質(zhì)心位置在空間中的變化規(guī)律，也就是質(zhì)心運動學方程：

(3)

利用式(2)和式(3)，采用歐拉角表示法建立轉(zhuǎn)動運動學方程：

(4)

2) 發(fā)動機推力特性模型。艦載機在下滑階段，處于氣動反區(qū)上，軌跡不穩(wěn)定，常采用“反區(qū)操縱”的方式，要求發(fā)動機的小油門響應(yīng)好且延遲小。另外，發(fā)動機加速性能對艦載機的逃逸/復飛模擬訓練很關(guān)鍵。

3) 精確模擬觸艦攔阻動力學模型。起落架建模中仿真起落架緩沖器和輪胎的觸艦受力情況；攔阻索采用柔性物體建模，模擬在不同形變下的狀態(tài)；按照尾鉤與艦載機相對位置關(guān)系，模擬尾鉤與攔阻索之間的碰撞關(guān)系及相互動力學。

4) 風場模型。包括低空飛行大氣紊流、艦艏上洗氣流、甲板風、斜角甲板產(chǎn)生的側(cè)洗氣流、艦尾氣流、剪切風等的模型。

2.5 航母子系統(tǒng)

1) 航母模型。建立航母六自由度運動學模型、動力學模型、航母減搖控制系統(tǒng)模型。建立航母的數(shù)據(jù)庫，包括航母幾何外形數(shù)據(jù)、慣性數(shù)據(jù)等。

2) 海浪模型。為了模擬海浪對艦運動的影響，應(yīng)建立不同海況、不同等級海浪和不同形式海浪的數(shù)學模型及數(shù)據(jù)庫。采用Gerstner模型實現(xiàn)了動態(tài)海洋，并且渲染碎波和泡沫效果。

X=X0+sin(KX-wt)

Y=Acos(KX-wt)

其中，K表示波浪向量，它是一個橫向量，用來表示海浪運動方向的點，另外有一個和波浪長度相關(guān)的度量k：

如圖4所示，當kr>1∶0時，波形會出現(xiàn)交叉，當kr≤1∶0時，波形為正常的波形。再下一圖表示某時刻下Gerstner波粒子的空間位置。由圖4可知，Gerstner波具有波峰海浪粒子密，波谷海浪粒子稀疏，該特性在構(gòu)建海洋表面網(wǎng)格時能夠更好刻畫波峰的細節(jié)信息。單獨的Gerstner波模擬出來的海浪的效果并不是很好，因此可以累加不同參數(shù)的波來模擬出不同的海浪運動。

圖4 海浪運動模擬曲線

2.6 視景子系統(tǒng)

視景子系統(tǒng)，須完成三維著艦環(huán)境仿真和艦載機平視顯示器畫面生成與疊加，對于其他視角(如LSO)，也能提供相應(yīng)的飛機和發(fā)動機畫面。三維環(huán)境仿真通過實時渲染，產(chǎn)生座艙外景象，包括天空、大海、航母、助降設(shè)備、攔阻索等，并模擬氣象條件、能見度、晝夜晨昏的景象，使飛行員有高的沉浸感覺。其中，對于光學助降設(shè)備FLOLS，必須能根據(jù)光學助降系統(tǒng)工作邏輯，并根據(jù)當前飛行狀態(tài)、飛機位置、航母運動等相關(guān)參數(shù)驅(qū)動點亮光學助降系統(tǒng)的信號燈，提供給飛行員進行觀察判斷。并且，飛行員視角的肉球移動速度能符合與飛機相對運動的實際幾何關(guān)系。

視景計算機接收艦載機和航母的位置、姿態(tài)和運動信息，以及教控臺的控制信息，實時調(diào)用場景數(shù)據(jù)庫和目標數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過整套CGI的多邊形處理和幾何處理后，進行紋理像素的解算合成，形成實時的場景圖像，經(jīng)過視頻處理后送出RGB信號，經(jīng)投影顯示出逼真的視景圖像。為了以60幀/秒顯示分辨率1 280*1 024像素，利用并行計算技術(shù)，采用6臺工控機流水處理視景數(shù)據(jù)，其中1臺作為主視景計算機(圖5)。

圖5 視景計算流程框圖

場景數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，主要是充分利用航拍數(shù)據(jù)，并采用Creator 3.0建模工具、Visual C++6.0與 Vega Prime視景仿真平臺來實現(xiàn)虛擬場景。首先，虛擬場景中的虛擬三維實體在Creator中的建模；然后將三維實體模型在Vega Prime中生成虛擬場景，并通過Vega Prime 的交互函數(shù)對虛擬場景進行控制；最后在Visual C++6.0境下生成界面。

2.7 運動系統(tǒng)

運動系統(tǒng)用來模擬飛機的姿態(tài)及速度的變化，以使飛行員的身體感覺到飛機的運動。起飛/著艦時，艦載機在一些方向上存在大過載，而模擬這些過載對艦載機飛行員的訓練非常必要。先進的飛行模擬器，其運動系統(tǒng)具有6自由度，即在三維坐標中繞3個軸的轉(zhuǎn)動和3個軸的線位移。主要包括6個電動作動筒及其支撐平臺。6個作動筒的協(xié)同運動，可驅(qū)動平臺并使座艙模擬出飛機的運動變化情況。

2.8 音響仿真子系統(tǒng)

音響仿真子系統(tǒng)用于模擬相應(yīng)設(shè)備的聲響(如綜合航電系統(tǒng)、發(fā)動機轟鳴、起落架收放、撞擊式著艦等)，以及外界環(huán)境的聲音(機體與氣流的摩擦聲音、雷雨聲)。根據(jù)當前的飛行狀態(tài)，從數(shù)據(jù)庫中提取音響素材，合成為環(huán)境聲音信號輸出。

建立音響的素材數(shù)據(jù)庫和特征數(shù)據(jù)庫。讀取設(shè)置參數(shù)。 建立發(fā)動機噪聲與發(fā)動機工作狀態(tài)間的關(guān)系模型，如低速下滑的發(fā)動機慢車和復飛逃逸時的大油門響應(yīng)等。 讀取仿真模塊數(shù)據(jù)后，進行模型解算，實時觸發(fā)并模擬各種音響輸出。

2.9 教員控制臺子系統(tǒng)

教員控制臺是飛行模擬器的監(jiān)控中心，各子系統(tǒng)的任務(wù)控制信息都來自于控制臺。主要用于控制、監(jiān)控、評估飛行訓練，以及實現(xiàn)作為LSO的著艦引導。

1) 著艦任務(wù)設(shè)置。一是飛行任務(wù)設(shè)置。如三類環(huán)境下進場航線及流程、標稱/非標稱著艦、復飛逃逸等，特情處置和引導方式切換等。二是飛機狀態(tài)設(shè)置，如初始進場的位置、速度、油量等，著艦的位置偏離，空中飛行故障特情等。三是航母狀態(tài)設(shè)置，著艦時航母航行速度和方向，海況級別和航母角運動參數(shù)等。四是飛行環(huán)境設(shè)置，如甲板風強度、空中風速風向，晝夜、日照、霧。最后是座艙初始化設(shè)置，如自檢、歸零等。

2) 著艦任務(wù)控制。任務(wù)的運行、暫停、重啟動或終止。

3) 著艦態(tài)勢顯示。提供LSO視角的著艦視景和中線攝像機信息，以實現(xiàn)LSO引導。

4) 著艦結(jié)果記錄、演示和評估。可以通過多視角的切換、快慢放等方法分析飛機著艦的狀態(tài)變化，用于飛行講評教學。利用著艦飛行數(shù)據(jù)與評分標準庫，建立一個模糊評估模型，全面評估著艦訓練的表現(xiàn)，智能評估系統(tǒng)功能如圖6所示。

2.10 主控子系統(tǒng)

主控是整個系統(tǒng)的控制核心，運行實時管理軟件，功能包括網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)交互管理、全局時鐘生成與控制等。主控實時管理軟件功能分解如圖7所示。實時管理軟件分主控端與從控端，主控端根據(jù)CPU晶振偏離計算精確的時間，用于設(shè)置實時網(wǎng)卡的中斷以觸發(fā)各個分系統(tǒng)運行；從控端接收實時網(wǎng)卡中的中斷，從而觸發(fā)應(yīng)用程序。

圖6 智能評估系統(tǒng)功能組成框圖

圖7 主控實時管理軟件功能分解框圖

3 飛行仿真系統(tǒng)驗證測試

圖8是航母視景的運行效果圖，正常運行時畫面渲染基本流暢，不存在明顯的卡、頓現(xiàn)象。

圖8 母艦場景及著艦效果圖

選擇自動著艦引導模式下，設(shè)置艦尾流和艦運動的參數(shù)，并進行演示驗證，且利用教控臺生成的著艦飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，用MATLAB繪制和分析艦載機著艦過程，如圖9所示。

經(jīng)過仿真對比分析，艦載機著艦系統(tǒng)比較真實的反映了艦載機在著艦過程中飛行姿態(tài)和飛行員過載情況。

圖9 著艦過程仿真曲線

4 結(jié)束語

本文針對著艦飛行的特點，從整體設(shè)計、子系統(tǒng)設(shè)計、著艦飛行仿真驗證等方面，描述了著艦飛行模擬器的設(shè)計需求、結(jié)構(gòu)配置、功能特點等，該著艦飛行模擬器注重標準化、模塊化和層次化設(shè)計，便于維護、擴充和系統(tǒng)升級。